基于ADCP的長(zhǎng)江河口推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性研究

陸雪駿，程和琴，胡浩，郭興杰，劉高偉，吳帥虎

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)是河流中泥沙運(yùn)動(dòng)的普遍形式之一，對(duì)地貌演變有重要影響，所以理解推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有著重要的理論指導(dǎo)意義。由于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)處于水底床面附近，以往受限于觀測(cè)方法和儀器條件，觀測(cè)難度較大、耗資巨大，成為人類(lèi)工程建設(shè)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

傳統(tǒng)推移質(zhì)觀測(cè)由于采樣器的阻水作用，改變了床面運(yùn)行的推移泥沙的水力條件，造成偏差（張瑞瑾等，1998），隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，利用新型的測(cè)量?jī)x器嘗試觀測(cè)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)成為可能。國(guó)外Rennie 等（2002） 首先利用ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀） 的底跟蹤（Bottom Track） 功能觀測(cè)河床推移質(zhì)視速度（va），發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)采樣器測(cè)的推移質(zhì)輸沙率有高度相關(guān)性，確認(rèn)ADCP 觀測(cè)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的可行性（Colin，2002；Colin，2004）；國(guó)內(nèi)吳中等（2002） 建立ADCP 的底跟蹤和GPS 信號(hào)的聯(lián)系，證實(shí)了利用ADCP 底跟蹤與GPS 定位差距分析底沙運(yùn)動(dòng)的理論正確、方法可行（吳中等，2002）。ADCP 觀測(cè)推移質(zhì)方法優(yōu)于傳統(tǒng)采砂器測(cè)量方法，采用非侵入式手段，不破壞現(xiàn)場(chǎng)水流結(jié)構(gòu)。在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，把ADCP 測(cè)得推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)視速度近似看作推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度（Kostaschuk，2005），對(duì)了解和掌握長(zhǎng)江口推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律有重要意義。

本文采用定點(diǎn)測(cè)量方法，利用ADCP 對(duì)長(zhǎng)江口砂質(zhì)河床推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，分析了推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)在漲、落潮周期內(nèi)的變化情況。

1 數(shù)據(jù)采集

ADCP 的實(shí)測(cè)資料來(lái)自筆者所在課題組在長(zhǎng)江口S1（長(zhǎng)興島北側(cè)）、S2（南北槽分流口）、S3（崇明東灘南側(cè)）、S4（橫沙島北側(cè)）、S5（南匯南灘） 和S6（橫沙通道北側(cè)） 共6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的定點(diǎn)水文觀測(cè)（圖1） 資料，時(shí)間尺度為二個(gè)潮周期。S1、S3、S4、S5 測(cè)點(diǎn)于2012年6月6-7日測(cè)量，S2 測(cè)點(diǎn)于2013年7月10-11日測(cè)量，S6 測(cè)點(diǎn)于2013年7月1-2日測(cè)量。

此次數(shù)據(jù)采集使用的是美國(guó)RDI 公司生產(chǎn)的600 kHz 型ADCP，具體由WinRiver 軟件對(duì)ADCP的換能器實(shí)現(xiàn)操控和采樣，采樣時(shí)間間隔設(shè)置為5 s，換能器入水深度為1 m。同時(shí)，采用高精度差分GPS 和外部GPS 羅經(jīng)進(jìn)行定位。

底層泥樣采集采用帽式采集器，并用聚乙烯塑料袋密封存放。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用超聲波震蕩分散，使用MASTER SIZER 2000 型激光粒度分析儀經(jīng)行粒度分析。

圖1 長(zhǎng)江口自然地理概況及測(cè)站位置

2 觀測(cè)原理

ADCP 是目前世界上先進(jìn)的流速流量測(cè)量設(shè)備，其利用多普勒原理探測(cè)水體中微顆粒的運(yùn)動(dòng)速度而推測(cè)水體流速。ADCP 提供兩種方法測(cè)量安裝平臺(tái)的速度：一是“底跟蹤”技術(shù)，ADCP 通過(guò)接收和處理來(lái)自水底的回波信號(hào)而計(jì)算得到ADCP 的安裝平臺(tái)與底床的相對(duì)速度（vBT）；二是利用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)量安裝平臺(tái)的速度（vDGPS）（趙勝凱 等，2007；楊俊輝，2009）。在測(cè)量時(shí)，如果床面沒(méi)有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，那么ADCP 的安裝平臺(tái)相對(duì)于底床的速度等于安裝平臺(tái)參照GPS 得到的速度，即：

圖2 各測(cè)點(diǎn)漲落急階段航跡圖（底跟蹤航跡為三角形，GPS航跡為正方形）

如果是存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的情況下，那么ADCP的安裝平臺(tái)相對(duì)于水底的速度和安裝平臺(tái)參照GPS得到的速度之間存在偏差，差值就是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度（va） （Colin D，2002），即：

ADCP 所提供的測(cè)量速度有東西（ve）、南北（vn） 方向上的分量，利用公式計(jì)算出速度（Colin，2007）：

3 結(jié)果

3.1 各測(cè)點(diǎn)航跡圖

通過(guò)ADCP 數(shù)據(jù)處理軟件WinRiver 查看航跡圖，筆者選取了各站點(diǎn)觀測(cè)期間漲、落急時(shí)段的航跡圖（圖3），三角形代表測(cè)量船參考底跟蹤的航跡，正方形代表測(cè)量船參考GPS 定位的航跡。通過(guò)航跡圖，能夠觀察到，底跟蹤的航跡與GPS的航跡有明顯的偏移，且各測(cè)點(diǎn)落潮與漲潮時(shí)刻的偏移方向是相反的。S1 測(cè)點(diǎn)落急時(shí)段，GPS 航跡基本不變，符合定點(diǎn)測(cè)量的事實(shí)；底跟蹤航跡持續(xù)向西北方向延伸了一段距離，起點(diǎn)為（0，0），終點(diǎn)為（-256，230），航跡向西北方向移動(dòng)了344 m，歷時(shí)為2 400 s，由此可算出船的平均相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.51 m/s，即底床相對(duì)于測(cè)量船的運(yùn)動(dòng)平均速度為0.51 m/s。由此說(shuō)明底床存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。同樣，S1 漲急時(shí)段和S2、S3、S4、S5、S6 漲、落急時(shí)段都存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。

可見(jiàn)，在漲、落急時(shí)段流速較強(qiáng)、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，ADCP 可以直觀地觀測(cè)到推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化，且通過(guò)觀察水流流向（表1） 和底跟蹤航跡偏移方向，可得出推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向和水流流向基本一致。

3.2 各測(cè)點(diǎn)潮流特征

S1、S2、S3、S4、S5、S6 測(cè)點(diǎn)處的潮流性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮流，水流運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流，漲落潮流向相反（沈煥庭等，1979）。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示（表1），受長(zhǎng)江徑流量及測(cè)點(diǎn)位置的影響，S1、S2、S3、S4 和S6 測(cè)點(diǎn)落潮平均流速一般比漲潮平均流速大；因S5 測(cè)點(diǎn)位于最大渾濁帶的攔門(mén)沙區(qū)域，潮流和徑流動(dòng)力條件相當(dāng)，故漲、落潮平均流速差別不大。S1、S2、S4 和S6 測(cè)點(diǎn)落潮最大流速與漲潮最大流速，分別相差0.56 m/s、0.12 m/s、0.29 m/s、0.16 m/s；S3 和S5 測(cè)點(diǎn)情況相反，漲潮最大流速比落潮分別大了0.11 m/s 和0.82 m/s。

表1 各測(cè)點(diǎn)落潮、漲潮流速對(duì)比單位：m/s

S1、S2、S3 和S4 的流速過(guò)程線存在著明顯的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，落潮流速過(guò)程線相對(duì)平緩且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；漲潮流速過(guò)程線的頂峰明顯且持續(xù)時(shí)間短，落潮流的強(qiáng)度超過(guò)漲潮流，落潮歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)，強(qiáng)流速時(shí)間持續(xù)3～4 小時(shí)。漲、落潮流流向基本上與河槽主軸線平行。S5 和S6 測(cè)點(diǎn)漲、落潮流速過(guò)程線基本上對(duì)稱(chēng)，漲落潮峰值和持續(xù)時(shí)間都相近。

3.3 各測(cè)點(diǎn)床沙粒徑

各測(cè)點(diǎn)床沙粒徑統(tǒng)計(jì)如表2，S1 測(cè)點(diǎn)的中值粒徑最大，D50=0.094 mm，為極細(xì)砂質(zhì)。S6 測(cè)點(diǎn)的中值粒徑最小，D50=0.010 mm，為中黏土質(zhì)。所以此次研究討論范圍在粗粉砂至極細(xì)砂質(zhì)河床。

表2 各測(cè)點(diǎn)河床粒徑統(tǒng)計(jì)表

4 討論

4.1 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度隨流速變化過(guò)程

圖3 各測(cè)點(diǎn)垂線平均流速（實(shí)線）、平均流向（虛線） 和推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度

通過(guò)公式（2） 和公式（3） 可計(jì)算出推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度，可以直觀地看到推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度在潮周期內(nèi)的變化過(guò)程（圖3）。觀察推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化過(guò)程曲線和潮流流速變化過(guò)程曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)“對(duì)應(yīng)、不對(duì)稱(chēng)”的特征。

“對(duì)應(yīng)”指在觀測(cè)的二個(gè)潮周期內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化都與垂線平均流速變化一致，即在落急和漲急時(shí)段，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)達(dá)到最大值。但在S1（10 ∶25-15 ∶25）、S2（10 ∶25-15 ∶25） 測(cè)點(diǎn)的一次漲潮過(guò)程中和S3（7 ∶45-22 ∶45）測(cè)點(diǎn)的一次漲潮至落潮的變化過(guò)程中，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度并沒(méi)有明顯的增大后又減小的變化過(guò)程，這與潮流流速和底質(zhì)粒徑大小有關(guān)，過(guò)小的流速不能使該測(cè)點(diǎn)底質(zhì)發(fā)生推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（錢(qián)寧等，1983）。

“不對(duì)稱(chēng)”現(xiàn)象指推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化歷時(shí)比潮流流速變化歷時(shí)短（表3），推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化過(guò)程曲線與潮流流速變化曲線比較，其峰值較尖。以泥沙起動(dòng)流速為臨界劃分推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（胡浩等，2014），當(dāng)流速達(dá)到臨界流速時(shí)，明顯的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)才會(huì)發(fā)生，這與測(cè)點(diǎn)的底質(zhì)粒徑大小有關(guān)（圖4）。

各測(cè)點(diǎn)底質(zhì)粒徑與推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)起動(dòng)臨界速度形成反比趨勢(shì)，受細(xì)顆粒泥沙之間的粘結(jié)力的影響，隨著粒徑的減小，也變得越來(lái)越不容易起動(dòng)。

表3 各測(cè)點(diǎn)潮流、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化歷時(shí)單位：h

圖4 各測(cè)點(diǎn)臨界流速和中值粒徑關(guān)系

4.2 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化特征

表4 為各測(cè)點(diǎn)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的統(tǒng)計(jì)，S1、S2、S3、S4 和S6 測(cè)點(diǎn)落急的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度均大于漲急的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度，且落潮階段推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間大于漲潮階段（圖3）；S5 測(cè)點(diǎn)的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)漲、落潮時(shí)段沒(méi)有明顯的差別，這與當(dāng)?shù)氐某绷魈卣鞅３忠恢隆?/p>

S1、S2、S3、S4、S5、S6 各測(cè)點(diǎn)受淺海、河口水下地形、徑流等影響，潮流變化均有顯著的潮汐不等特征，相鄰的二次落潮或（漲潮） 的流速不等，導(dǎo)致了各測(cè)點(diǎn)相鄰的二次落急（或漲急） 的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度不等。這種不等在S1 和S3 測(cè)點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯，S1 測(cè)點(diǎn)第一次落潮推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度比第二次落潮推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度大了一個(gè)數(shù)量級(jí)（表4）；在S3 測(cè)點(diǎn)，第一次漲落潮推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度明顯大于第二次落潮推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度，甚至在第二次落潮和漲潮之間的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度始終保持在一個(gè)較小的值，沒(méi)有發(fā)生明顯起伏變化（圖3）；同樣，在S2 的兩次漲潮時(shí)段和S4、S6 的兩次落潮時(shí)段都出現(xiàn)了推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度日變化不相等的情況。在各測(cè)點(diǎn)，潮汐不等現(xiàn)象導(dǎo)致了推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的日變化不等，又因?yàn)榕R界起動(dòng)速度的存在，使推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的變化不等現(xiàn)象比潮汐日不等現(xiàn)象更加顯著，說(shuō)明在較長(zhǎng)時(shí)間尺度下，長(zhǎng)江河口凈推移質(zhì)輸沙方向與落潮流方向一致。

表4 各測(cè)點(diǎn)漲、落急時(shí)段推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度單位：m/s

4.3 誤差分析

基于ADCP 測(cè)量推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的誤差主要由DGPS 系統(tǒng)誤差、船體晃動(dòng)產(chǎn)生的傾斜誤差和ADCP 自身噪聲組成。

在潮流轉(zhuǎn)流時(shí)段，因?yàn)榱魉僮冃。踔翞榱悖詫?shí)際推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度為零。但在圖3 中我們可以看到，在各測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)流時(shí)段，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度雖然小但不為零，這是因?yàn)镚PS 存在誤差，無(wú)法與底跟蹤完全同步。可以認(rèn)為在潮流轉(zhuǎn)流時(shí)段，流速條件不足以發(fā)生推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)推算出的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度就是絕對(duì)誤差的下限，對(duì)實(shí)際推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度存在高估，通過(guò)計(jì)算高估值范圍在0.016-0.038 m/s 之間（表4）。可見(jiàn)，S1 落急1，S2 落急1、漲急1、落急2 和S6 落急2 計(jì)算得出的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度比高估值大了一個(gè)量級(jí)，具有較高的可信度。

5 結(jié)語(yǔ)

（1） 通過(guò)ADCP 多普勒流速剖面儀觀測(cè)，在漲急、落急時(shí)段有明顯的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，能直觀體現(xiàn)半日潮對(duì)底沙運(yùn)動(dòng)的周期性影響。

（2） 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化過(guò)程曲線和潮流流速變化過(guò)程曲線呈現(xiàn)“對(duì)應(yīng)、不對(duì)稱(chēng)”的特征。

（3） 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的日不等現(xiàn)象比潮流流速日不等現(xiàn)象更加顯著。

（4） 通過(guò)轉(zhuǎn)流時(shí)段推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)不存在的特征，計(jì)算出使用ADCP 觀測(cè)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的高估范圍為0.016-0.038 m/s。

C.D.Rennie,F.Rainville,S.Kashyap,2007.Improved estimation of ADCP Apparent bed-load velocity using a real-time Kalman filter.Journal of Hydraulic Engineering. (12) :1337-1344.

Colin D.Rennie,Robert G.Millarand, Michael A, 2002.Measurement of Bed Load Velocity using an Acoustic Doppler Current Profiler Church.Journal of Hydraulic Engineering,128:473-483.

Colin D. Rennie, Paul V. Villard, 2004. Site specificity of bed load measurement using an acoustic Doppler current profiler. Journal of Geophysical Research,109.

Kostaschuk R,Best J,Villard P,et al, 2005.Measuring flow velocity and sediment transport with an acoustic Doppler current profiler.Geomorphology.May 15,68 (1/2) :25-37.

胡浩，程和琴，楊忠勇，2014.基于ADCP 的長(zhǎng)江口推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)遙測(cè)技術(shù)研究.人民長(zhǎng)江，45（14）：6-9.

錢(qián)寧，萬(wàn)兆惠，1983.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)，北京：科學(xué)出版社.

沈煥庭，潘定安，1979.長(zhǎng)江河口潮流特性及其對(duì)河槽演變的影響.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），01：131-144.

吳中，陳力平，游目林，等，2002.底部浮泥表層推移速度分布的ADCP-GPS 估測(cè)方法.海洋工程，20（4）：85-88.

楊俊輝，2009.ADCP、OBS 在底部泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)中的應(yīng)用探討.港工技術(shù)，46（z1）：90-93.

張瑞瑾，謝鑒衡.河流泥沙動(dòng)力學(xué).北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

趙勝凱，王志芳，2007.ADCP 基本原理及應(yīng)用.河北水利， （11）：25.